ナットコーク活用による高炉操業の最適化：効率向上とコスト削減

冶金コークス、別名高炉（BF）コークスは、高炉の安定操業において重要な役割を果たしています。BFコークスの典型的なサイズは30〜60mm（一部の高炉では40〜80mm）で、銑鉄（HM）の製造コストの大きな構成要素となっています。この高コストの主因は、コークス炉でのBFコークス製造時に大量の微粉分（コークスブリーズとナットコーク）が発生することにあります。これらの微粉分は、コークスブリーズ（-10mm）とナットコーク（10〜30mm）として知られています。コークスブリーズの全量は一般的に焼結工場で鉱石微粉の焼結に消費されます。かつてはナットコークを統合製鉄所で利用することはほとんどなく、他のユーザーに販売されていました。1960年代にV.I.ロギノフ教授がナットコークを焼結鉱と混合して高炉に装入することを提案しました。このアイデアは試験的に成功しましたが、当初高炉でのナットコーク使用には抵抗がありました。

しかし、ナットコークを高炉でBFコークスの一部代替として使用することは、現在では実証済みの技術と見なされており、ナットコークを高炉鉱石装入層に添加することはほぼ標準的な慣行となっています。ナットコークの使用量はその入手可能性に大きく依存します。月平均で100kg/tHM（トン銑鉄当たりキログラム）を超えるナットコーク消費を達成した高炉もあります。欧州のいくつかの高炉の年間平均指標の統計分析によれば、ナットコークを高炉装入原料に導入したことで、置換係数が1.0に近い値を示しました。

従来の装入方法とナットコーク混合装入の比較

従来の高炉製鉄では、鉄系原料（塊鉱、焼結鉱、ペレット）とBFコークスを交互に層状に装入します。ナットコークは通常、鉄系原料と混合して高炉に装入されます。ナットコークを鉄系原料層に添加することで、以下の効果が得られます：

• 石炭乾留時に発生する低付加価値製品の有効活用
• 高炉でのBFコークス消費量の削減
• 高炉生産性の向上
• 高炉内のガス動力学的レジームの最適化
• 銑鉄製造コスト削減によるテクノ・エコノミック指標の改善
• コークス炉でのコークス製造量減少によるCO₂排出量の削減

図1は、従来の装入方法とナットコーク混合装入の比較を示しています。

図1 従来の装入とナットコーク混合装入の比較

ナットコーク混合装入の効果とメカニズム

高炉での銑鉄生産中にBFコークス消費量を削減するため、多くの研究とプロセス変更が行われてきました。様々な研究が、ナットコーク混合装入が軟化溶融層の透ガス性と直接還元を改善することを指摘しています。多くの高炉の操業実績により、ナットコークを鉄系原料と混合使用することでコークス節約と生産性向上が可能であることが証明されていますが、その理由とメカニズムは最近まで明確ではありませんでした。基本的に、以下の3つの理由がコークスレシオ低下に影響を与えます：

1. 高炉「乾燥帯」でのガス透過性の改善
2. 鉄系原料の還元条件の改善
3. ナットコークの高い反応性による高炉シャフト内での冶金コークスの溶解損失反応からの「保護」

最近の研究では、少量のナットコークを鉄系原料と混合することで、より良い還元キネティクス、低い還元剤消費、優れたガス・液体透過性が得られることが判明しました。ナットコークは通常のBFコークスの代替として装入され、その利用は鉄系原料/コークス層厚比と透過性に影響を与えます。利用量は高炉によって異なります。低温・高温両領域でのナットコークと装入原料の相互作用が重要です。最適量を超えてナットコークを装入すると、未消費のナットコークが高炉下部に降下し、デッドマンゾーンに微粉が蓄積して詰まりを引き起こします。これは銑鉄品質と高炉生産性に悪影響を及ぼし、特に高率石炭吹込み操業時には深刻化します。理想的には、ナットコークは凝集帯に達する前に完全に消費されるべきです。図2は、ナットコークなし/ありの高炉操業比較を示しています。

図2 ナットコークなし/ありの高炉操業比較

透ガス性と還元挙動への影響

焼結鉱・コークス層厚と焼結鉱-ナットコーク混合物が1,100〜1,600℃の温度域でのガス透過性に与える影響を調べた研究では、焼結鉱・鉱石層の厚さを減らすと圧力損失が減少することが示されました。1,400gの焼結鉱に90gのナットコークを混合すると、1,400℃での圧力損失が380mmWC（水柱）から約50mmWCに減少しました。この研究は、高比率ナットコーク混合装入技術の適用が凝集帯のガス透過性を改善することを結論づけています。

別の研究では、高炉装入前の装入システムにおけるナットコークの偏析と半径方向分布を離散要素法でシミュレーションしました。装入ホッパー内でのナットコーク質量の円周バランスが分布に影響する重要因子であることが判明し、装入シュート先端へのスタビライザー適用がナットコーク偏析防止に効果的であることがわかりました。

複数の高炉で、ナットコーク-鉱石混合装入による還元プロセスの変化が研究されています。凝集帯での直接還元が促進され、炉底での直接還元が抑制されることで、炉底加熱が改善されることが確認されました。ナットコークのコークス消費への影響は、ナットコークとBFコークス双方の特性に依存します。ナットコークの「還元剤としての役割」と「層間スペーサーとしての役割」という2つの役割が個別に研究され、ナットコークのサイズが鉄系原料層内にあることで、主にCOガス再生のために消費され、BFコークスが劣化から保護されて床透過性が改善されることが判明しました。ナットコークが溶解損失反応で優先的に消費されることは、そのサイズに依存します。図3は高炉での従来装入とナットコーク混合装入の比較を示しています。

図3 高炉での従来装入とナットコーク混合装入の比較

最適ナットコーク量とリスク管理

BFコークスをナットコークでより多く置換することは常に望ましいですが、過剰なナットコーク使用には、未消費ナットコークが高炉下部に達し、デッドマンと炉底を詰まらせるリスクがあります。数理モデルと実験に基づく研究では、ナットコーク率が低い場合はガス化反応で完全消費され透過性が改善されますが、率が高すぎると不完全消費で高炉下部に残り、コークス充填層の圧力損失を増加させることが結論づけられました。高炉操業経験に基づき、最適濃度を超えるナットコーク利用は炉底排出能力を低下させ、製錬率低下と生産性悪化を招くことがわかっています。

デッドマンゾーンのシミュレーション研究では、コークス径よりもボイド率（隙間率）の方が重要であることが判明しました。デッドマンの低ボイド率は熱ガスの下部浸透を妨げ、低温ゾーンを形成します。微粉の発生と蓄積は透過性のあるデッドマンゾーンにとって望ましくありません。高炉下部のコークス微粉は圧力損失を増加させ、この増加はナットコークによる凝集帯での圧力損失低減効果より大きいため、全体として高炉内圧力損失が増加します。

これらの知見は、ナットコークに最適量があり、それを超えるとメリットが薄れ、高炉挙動に異常をきたし生産を妨げることを明確に示しています。

ナットコークを鉄系原料と共に装入する効果

透過性の改善

透過性は送風量とシャフト柱の圧力損失で制御されるパラメータです。送風量一定の条件下では、圧力損失を減らすことで透過性を改善できます。床透過性は高炉操業の最重要因子の一つです。高炉生産性はより多くの送風量で向上し、そのためには適切なガス透過性が必要です。床のガス透過性が高炉内の還元ガス流動を決定し、その流動様式が生産性に影響します。ナットコークを鉄系原料に添加することで圧力損失を低減できると考えられています。

ナットコークを鉄系原料と共に使用する利点は、高炉乾燥帯での透過性向上です。ナットコーク添加はガス透過性に正の効果を持ちますが、混合比が低い場合は効果が限定的です。鉄系原料中に約10%と20%のナットコークを使用することで、高炉生産性をそれぞれ1.5%と2.5%向上させることができます。

ある高炉で2期間の操業比較研究が行われました。第1期間はナットコークなしの従来装入、第2期間はナットコーク混合装入で、鉱石量は同一でした。ナットコーク量に応じて高炉ガスの圧力ジャンプが増加・変動し、ナットコーク率増加に伴い操業がより安定しました。高炉出銑量も増加し、主因はBFコークス消費減少でした。炉内ガスの加熱・還元能力が、ガス分布改善と均一操業により完全に活用されたためです。

大量のナットコークを鉱石装入層と混合使用した高炉操業研究では、ナットコーク添加が高炉下部の透過性悪化を防止することが結論づけられました。ナットコークの選択的溶解損失反応により通常のBFコークスが下部で大型のまま残り、ナットコークを鉄系原料と共に装入することで凝集層の透過性が良好に保たれると推測されました。

鉱石とナットコークで構成される装入原料層の特性研究では、層数を増やす（層高を下げる）方法とナットコーク量を変える方法の2通りで混合層を作成しました。層高減少（層数増加）で圧力損失が減少し、3層以上でピークが消失しました。ナットコーク量増加で圧力損失が急速に低下しました。焼結鉱とコークスの界面で浸炭が起こり、金属溶融時にはガスが主にコークスとその周辺を通過するため、充填層の透過性が維持されると考えられます。一般的に装入原料層のボイド率が大きいほど透過性が高いとされますが、ガス動力学的研究では、ナットコーク混合でボイド率は減少するものの、従来のナットコークなし装入より透過性が改善されることが判明しました。したがって、装入原料透過性を研究する際はボイド率とボイド構造の両方を考慮すべきです。

ナットコークを鉱石層に添加することで、凝集帯のガス抵抗を低減できます。このガス透過抵抗低減は、混合コークスが鉱石層に新たなボイドを追加するためです。

還元キネティクス

高炉内の鉄系原料は主にFe₂O₃とFe₃O₄で構成されます。鉱石装入原料から酸素を除去することを還元と呼びます。高炉プロセスは鉄系装入原料の還元挙動に基づいています。還元速度と還元度は高炉生産に直接影響します。高炉の熱予備帯温度は、コークスのブードアール反応（溶解損失：C + CO₂ = 2CO）の開始温度とほぼ一致し、激しい吸熱反応を伴います。ブードアール反応が高炉内の全反応を制御しています。熱予備帯の開始温度を下げられれば、FeO-Fe還元反応（FeO + CO = Fe + CO₂）の平衡濃度がより高いCOガス利用効率側にシフトします。これにより高炉炉頂でのCOガス利用効率が改善し、還元剤消費が減少します。

鉄酸化物の高い還元速度は高炉生産性向上に望ましいです。実験的分析（900〜1,200℃）に基づく研究では、還元の律速反応は炭素酸化であると示唆されています。鉄酸化物還元は2段階で進行します：第1段階でFe₃O₄からFeOへ、第2段階でFeOからFeへ。第1段階の方が速く、最終段階のFeO還元（炭素による）ではフェイアル石（FeO·SiO₂）スラグ生成により速度がさらに低下します。「還元遅延」現象は特に鉄系装入原料の軟化中・後に顕著です。実験観察に基づく研究では、高温（1,100℃以上）でナットコークなしの鉄系原料は「還元遅延」を示しますが、ナットコーク混合原料ではこの現象が見られません。より高い還元度を得るには、ナットコークサイズを鉄系原料と同等かそれ以下にする必要があります。

軟化溶融挙動

鉱石が軟化溶融し始める領域を凝集帯と呼びます。軟化溶融は物理現象であり、凝集帯での化学変化はその位置・形状とガス流動に関連し、高炉操業に重要な影響を与えます。

薄い凝集帯は低圧力損失と良好な透過性のために望まれます。これは軟化温度と溶融温度の差が小さい鉄系原料で達成できます。凝集帯厚さはナットコーク混合でも変更可能です。ナットコーク混合鉄系原料で高温実験を行った研究では、軟化温度と溶融温度がそれぞれ86℃と15℃上昇し、温度差が71℃縮小されました。これはナットコーク混合鉄系原料でより薄い凝集帯が形成されることを示しています。